DE19834153A1 - Verfahren zur Auswertung von Signalen magnetoresistiver Sensoren - Google Patents
Verfahren zur Auswertung von Signalen magnetoresistiver SensorenInfo
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur Signallauswertung mit Eleminierung eines vorzugsweise zum Nulloffset proportionalen Störsignals an magnetoresistiven Sensorelementen, die eine Sensorelementanordnung, wie beispielsweise eine Sensorbrücke (2), bilden können, bei denen die Magnetisierungsrichtung der Sensorelemente durch Anlegen eines magnetischen Inpulsfeldes modulierte oder wechselnder Richtung moduliert oder umgeschaltet wird und die Ausgangssignale der Sensorelemente beziehungsweise der Sensorelementanordnung einem Differenzverstärker zugeführt wird. Durch die gleichzeitig mit der Magnetisierung der Sensorelemente erfolgte Modulation oder Umschaltung der Betriebsspannung der Sensorbrücke entsteht oft ein Signal mit einem zu dem zu messenden Magnetfeld proportionalen Gleichanteil und einem zur Offsetspannung der Sensorelmentanordnung proportionalen Wechselanteil. Letzterer wird durch eine Rückkopplung minimiert oder gar auf null geregelt. Die Bandbreite, mit der die zum zu messenden Magnetfeld proportionale Gleichspannung Änderungen des Eingangssignals folgen kann, liegt hier um Größenordnungen über der Magnetisierungsfrequenz der Sensorelemente (Figur 1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einige Vorrichtungen zur Durchführung desselben
zur Auswertung von Signalen magnetoresistiver Sensoren, bei denen zur Eliminierung eines
zum Nulloffset proportionalen Störsignales die Magnetisierung der magnetoresistiven
Widerstandsstreifen periodisch durch Flipstromimpulse durch eine integrierte Flipleitung
oder eine externe Flipspule abwechselnd in positiver und negativer Richtung eingestellt oder
lediglich moduliert wird. Dabei kann der magnetoresistive Sensor zur hochauflösenden
Messung eines Magnetfeldes oder eines Magnetfeldgradienten oder darauf zurückführbarer
Größen, wie zum Beispiel zur potentialfreien Strommessung, eingesetzt werden.
Magnetfeldmeßgeräte, die solche Verfahren mit dem Ziel einsetzen, die durch Ungleichheit
der Widerstände und deren Temperaturabhängigkeit bedingte Offsetspannung in
magnetoresistiven Sensorbrücken vom magnetfeldproportionalen Sensorsignal zu trennen,
sind bereits bekannt. So wird in der Offenlegungsschrift DE 34 42 278 ein
Magnetfeldmeßgerät beschrieben, das einen Magnetfeldsensor mit vier aus
magnetoresistiven Schichtstreifen mit Barberpolstrukturen bestehenden Sensorelementen
enthält, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet sind und von einer Gleichstromquelle
gespeist werden. Bedingt durch Toleranzen in der Fertigung der magnetoresistiven
Schichtstreifen sind nicht alle vier Brückenwiderstände vollständig gleich, und es tritt am
Ausgang der Sensorbrücke ohne Vorhandensein eines zu messenden Magnetfeldes die
durch einen Gleichspannungswert gegebene Offsetspannung auf. Alle magnetoresistiven
Schichtstreifen des Sensors weisen jeweils zu demselben Zeitpunkt dieselbe magnetische
Vorzugsrichtung auf, die durch die Richtung ihrer jeweiligen Magnetisierung gegeben ist. In
der Nähe der Sensorelemente ist eine Magnetisierungsspule angeordnet, die von einem
Stromimpulsgenerator mit kurzen, abwechselnd positiven und negativen Stromimpulsen
gespeist wird, die in der Magnetisierungsspule ein magnetisches Wechselfeld erzeugen,
welches die magnetoresistiven Schichtstreifen im Takt der Flipstromimpulse ummagnetisiert.
Bei Anliegen eines zu messenden Magnetfeldes entsteht am Nullzweig der Sensorbrücke
zusätzlich zu der erwähnten Offsetgleichspannung eine Wechselspannung. Diese kann von
einem durch den Stromimpulsgenerator gesteuerten phasenempfindlichen Gleichrichter
angezeigt werden, der am Ausgang zur Beseitigung der als Wechselspannungsanteil
enthaltenen Offsetspannung einen Integrator aufweist, dessen Ausgangsspannung dem am
Magnetfeldsensor anliegenden Magnetfeld proportional ist, solange dieses im
Linearitätsbereich des Magnetfeldsensors liegt.
Ein wesentlicher Nachteil des beschriebenen Meßverfahrens besteht darin, daß die
Messung von Magnetfeldern nur noch mit einer maximalen Bandbreite erfolgen kann, die
bei einem Hundertstel bis zu einem Zehntel der Frequenz der Flipstromimpulse liegt, da die
als Wechselanteil im Signal nach dem phasenempfindlichen Gleichrichter vorhandene
Offsetspannung der Sensorbrücke sonst mit einem zu großen Anteil vorhanden ist. Schnelle
Feldänderungen können also nicht nachgewiesen werden. Ein zweiter Nachteil des
Meßverfahrens ist durch den begrenzten Linearitätsbereich der Kennlinie der Sensorbrücke
und durch die Temperaturabhängigkeit der Steigung der Kennlinie sowie deren Abhängigkeit
von der in der Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen wirkenden
Magnetfeldkomponente bedingt. Das führt dazu, daß die Proportionalität der
Ausgangsspannung der beschriebenen Meßschaltung zur Feldstärke der gemessenen
Magnetfeldkomponente nur in einem stark eingeschränkten Feldstärkebereich und nur bei
konstanter Temperatur und konstanter Magnetfeldkomponente in Streifenlängsrichtung
gegeben ist.
Dieser zweite Nachteil ist bereits in einem verbesserten Meßverfahren nach der Patentschrift
US 5 351 005 nicht mehr vorhanden. In der angegebenen Schaltung wird durch
phasenempfindliche Gleichrichtung ein Strom erzeugt, der der zu messenden
Magnetfeldstärke proportional ist. Dieser Strom wird in eine Kompensationsspule
eingespeist, in der sich die magnetoresistive Sensorbrücke befindet und erzeugt hier ein
Magnetfeld. Die Schaltung regelt diesen Strom auf einen Wert, der in der Spule ein
Magnetfeld erzeugt, welches das von außen angelegte Magnetfeld gerade aufhebt. Die
magnetoresistive Sensorbrücke wirkt hier nur noch als Nullinstrument. Deshalb spielen
Nichtlinearitäten der Kennlinie und ihre Abhängigkeit von der Temperatur und der
entsprechenden Magnetfeldkomponente hier auch keine Rolle mehr. Das Ausgangssignal
der Schaltung wird z. B. aus einem Spannungsabfall gewonnen, den der Strom durch die
Kompensationsspule an einem festen Widerstand erzeugt. Zwei "Sample and Hold"-
Verstärker werden abwechselnd, gesteuert im Takt des Flipstromgenerators, zur Messung
des jeweiligen Spannungsabfalls für die - beiden Magnetisierungsrichtungen im
magnetoresistiven Sensor benutzt. Die von einem Tiefpaßverstärker gebildete Differenz der
beiden Spannungen der "Sample and Hold"-Verstärker enthält nur noch den
magnetfeldproportionalen Anteil des Signals, während der zum Offset der Sensorbrücke
proportionale Anteil durch die Differenzbildung herausfällt. Die Bandbreite, mit der auf der
Basis der hier beschriebenen Schaltung Magnetfelder gemessen werden können, wird im
wesentlichen durch die Bandbreite des Tiefpaßverstärkers bestimmt. Im günstigsten Fall
kann eine Bandbreite von der halben Frequenz der Flipstromimpulse erreicht werden, denn
für das Erhalten des richtigen Magnetfeldwertes müssen beide "Sample and Hold"-
Verstärker mindestens je einen Meßwert aufgenommen haben.
Im "Data Handbook SC 17" (1997) von Philips Semiconductors, Seite 36, ist eine weitere
Schaltung zur Eliminierung des Brückenoffsets aus dem Sensorsignal angegeben. Hier wird
das Brückensignal zunächst einem Differenzverstärker zugeführt. Der
Gleichspannungsanteil des Signals nach dem Differenzverstärker, der die Offsetspannung
der Sensorbrücke und des Differenzverstärkers enthält, wird über ein Tiefpaßfilter auf den
Eingang des Differenzverstärkers negativ zurückgekoppelt und damit auf null geregelt. Der
dem zu messenden Magnetfeld proportionale Wechselspannungsanteil des Signals wird
über einen gesteuerten Verstärker gleichgerichtet. Das gleichgerichtete Signal wird als
Strom in eine Kompensationsspule eingespeist und hebt hier das zu messende Magnetfeld
auf. Da die sprungartige Änderung der Eingangsspannung des gesteuerten Verstärkers um
die Regelabweichung zu Spannungsspitzen an dessen Ausgang führt, wird ein Filter
nachgeschaltet. Damit ist auch hier die Messung des Magnetfeldes nur mit einer Bandbreite
möglich, die weit unter der Flipfrequenz liegt.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur Signalauswertung mit Unterdrückung
des Brückenoffsets an magnetoresistiven Sensorelementen, die eine
Sensorelementanordnung wie beispielsweise eine Sensorbrücke bilden können, anzugeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Magnetisierungsrichtung in den die
Widerstände bildenden magnetoresistiven Sensorelementen durch Anlegen eines
Wechselfeldes periodisch umgeschaltet, wobei die Bandbreite des Auswerteverfahrens nicht
durch die zur Ummagnetisierung eingesetzte Flipfrequenz begrenzt ist.
Diese Aufgabe wird durch das im Hauptanspruch beschriebene und in den Unteransprüchen
weiter spezifisch ausgebildete Verfahren gelöst.
Durch die wiederholte Umkehr oder Modulation der Magnetisierungsrichtung in den
angesprochenen magnetoresistiven Sensorelementen, die mit Barberpolstrukturen versehen
sein können, durch ein magnetisches Impulsfeld abwechselnder Richtung oder wechselnder
Intensität und durch die im Takt des magnetischen Impulsfeldes umgeschaltete
Betriebsspannung der Sensorelemente kommt es an deren Ausgang zu einem Signal, das
dem auf die Sensorelemente wirkenden Magnetfeld oder Magnetfeldgradienten proportional
ist und das von einem Wechselanteil mit dem Offsetsignal als Amplitude überlagert ist.
Dieses Ausgangssignal wird einem Differenzverstärker zugeführt, und bei einem einfachen
Ausführungsbeispiel - beispielsweise einer als Wheatstonebrücke ausgeführten
magnetoresistiven Sensorelementanordnung - liegt am Nullzweig der Brücke bereits die
Ausgangsspannung der Schaltung als Meßsignal vor. Damit dieses Ausgangssignal den
durch den Offset bedingten Wechselanteil nicht mehr enthält, wird dieser gleichgerichtet und
phasenrichtig auf den jeweiligen Eingang des Differenzverstärkers zurückgekoppelt, so daß
er vom Differenzverstärker minimiert, theoretisch sogar auf null geregelt werden kann. Dazu
gelangt das Signal vom Ausgang des Differenzverstärkers über einen im Takt des
magnetischen Impulsfeldes gesteuerten Modulator oder Umschalter auf einen Tiefpaß und
über einen Verstärker auf einen weiteren im Takt des magnetischen Impulsfeldes
gesteuerten Modulator oder Umschalter, der die Verbindung mit dem jeweiligen Eingang des
Differenzverstärkers herstellt.
Der Tiefpaß in der Rückkopplung kann eine geringe Grenzfrequenz haben, da
Offsetänderungen in den Sensorelementen nur relativ langsam erfolgen - beispielsweise auf
Grund von Temperaturänderungen - und durch den Regelkreis dann trotzdem aus dem
Ausgangssignal entfernt werden. Im eigentlichen Signalweg sind keine
frequenzbegrenzenden Stufen vorgesehen. Damit werden zu messende
Magnetfeldänderungen mit hoher Bandbreite als Änderung der Ausgangsspannung
übertragen. Diese Bandbreite ist nicht durch die Taktfrequenz des magnetischen
Impulsfeldes, das zur Modulation oder Umkehr der Magnetisierungsrichtung der
magnetoresistiven Sensorelemente dient, begrenzt und liegt wesentlich größer als diese. Die
maximal übertragbare Frequenz wird dadurch begrenzt, daß die Magnetfeldimpulse zur
beschriebenen Magnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen eine bestimmte Dauer
nicht unterschreiten können und daß während der Änderung der Magnetisierung eine zum
einwirkenden Magnetfeld proportionale Widerstandsänderung der magnetoresistiven
Schichtstreifen nicht gegeben ist.
In einer speziellen, vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
aus der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ein proportionaler Strom gebildet und
in eine in der Nähe der Sensorbrücke befindliche Spule eingespeist. Das Magnetfeld dieses
Stromes ist am Ort der Sensorbrücke dem zu messenden Magnetfeld entgegengerichtet.
Der Strom wird von der Schaltung auf einen Wert geregelt, der zur Aufhebung des
Magnetfeldes am Ort der Sensorbrücke führt. Der Offsetspannungsanteil am Ausgang des
Differenzverstärkers wird dabei wie oben beschrieben durch Gleichrichtung und
phasenrichtige Rückkopplung auf den Eingang des Verstärkers auf null geregelt. Das
Ausgangssignal der Schaltung ist hier der Spannungsabfall, den der Strom über einem
bekannten Widerstand erzeugt. Dieser Spannungsabfall ist unabhängig von der Temperatur
und vom Betrag des zu messenden Feldes zu diesem proportional, und zwar innerhalb einer
Bandbreite, die nicht durch die Taktfrequenz des magnetischen Impulsfeldes begrenzt wird,
sondern entweder durch die Dauer der Ummagnetisierungsimpulse oder durch die
Zeitkonstante des Regelkreises für die Kompensation des Eingangssignales.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Taktfrequenz, mit der die Umkehr
oder Modulation der Magnetisierung der magnetoresistiven Sensorelemente erfolgt und mit
der die Umschalter oder Modulatoren gesteuert werden, zeitlich periodisch variiert. Dadurch
wird vermieden, daß es über eine längere Zeitdauer zu einer Übereinstimmung der
Frequenz des auf die Sensorbrücke einwirkendenden Magnetfeldes und der Taktfrequenz
kommen kann. Wäre letzteres der Fall und stimmt darüber hinaus der Zeitpunkt der
jeweiligen Vorzeichenänderung des Magnetfeldes mit dem Zeitpunkt des
Ummagnetisierungsimpulses überein, so überlagern sich die vom Magnetfeld erzeugten
Spannungssignale und die von der Offsetspannung in gleicher Phase erzeugten
Spannungssignale. Damit würde dann durch die Rückkopplung am Differenzverstärker nicht
nur der Offsetanteil sondern auch der durch das Eingangssignal hervorgerufene Signalanteil
auf null geregelt werden, und eine Messung wäre nicht mehr möglich. Wird die Taktfrequenz
der Ummagnetisierung jedoch innerhalb einer Periodendauer variiert, die kürzer ist als die
Zeitkonstante des Tiefpasses im Rückkoppelzweig des Differenzverstärkers, wird dieses
Aussetzen des Meßvorganges bei einer bestimmten Frequenz des Meßsignals
ausgeschlossen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft bei Anwendung von
Sensorelementen, die in eine Sensorelementanordnung wie eine Sensorbrücke bilden
können, deren Brückenausgangssignal proportional zum einwirkenden Magnetfeld oder zum
einwirkenden Magnetfeldgradienten ist, wenn die Sensorbrücken auf dem jeweiligen Chip
bereits integriert Dünnschichtleitungen für den Strom zur Magnetisierung und für den
Kompensationsstrom enthalten. Solche Sensoren werden beispielsweise in den
Patentschriften US 5 247 278 und US 5 521 501 beschrieben. Die Dünnschichtleitungen, die
hier anstelle der Spulen zur Erzeugung der entsprechenden Magnetfelder dienen, haben
wesentlich geringere Induktivitäten als die kompakten Spulen. So sind hier kürzere
Ummagnetisierungsimpulse und kleinere Regelzeitkonstanten für die Kompensation des zu
messenden Magnetfeldes realisierbar. Damit wird die Bandbreite der Signalverarbeitung
besonders groß.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der
zugehörigen Zeichnung ist in Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
unter Verwendung einer magnetoresistiven Sensorbrücke und einer Magnetisierungsspule
und in Fig. 2 eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens unter Verwendung einer
magnetoresistiven Sensorbrücke und einer Magnetisierungsspule sowie einer
Kompensationsspule dargestellt.
In Fig. 1 ist eine magnetoresistive Sensorbrücke 2 enthalten. Deren Betriebsspannung 7
wird durch einen Umschalter 13 im gleichen Takt umgeschaltet, wie in eine
Ummagnetisierungsspule 3 aus einem Stromimpulsgenerator 5 Stromimpulse
abwechselnder Polarität eingespeist werden. Sensorbrücke 2 und Ummagnetisierungsspule
3 sind integriert auf einem Chip 1 angeordnet. Durch die Umschaltung der Betriebsspannung
7 in der Sensorbrücke 2 wird die Offsetspannung am Brückenausgang zur
Wechselspannung. Die Impulse des Stromimpulsgenerators 5 erzeugen in der
Ummagnetisierungsspule 3 Magnetfeldimpulse, die auf die die Widerstände der
Sensorbrücke 2 bildenden magnetoresistiven Sensorelemente, die als in Dünnschichttechnik
aufgebrachte Schichtstreifen ausgeführt sind, einwirken. Die Magnetfeldimpulse sind von
ausreichender Feldstärke, um die magnetoresistiven Schichtstreifen in der entsprechenden
Richtung zu magnetisieren. Die magnetoresistiven Schichtstreifen sind mit
Barberpolstrukturen versehen, ohne daß das in der Zeichnung dargestellt ist. Durch die
gleichzeitige Richtungsumkehr oder Modulation der Magnetisierung in den Schichtstreifen
und der Brückenbetriebsspannung bleibt die Steigung der Kennlinie der Sensorbrücke
erhalten. Wirkt ein Magnetfeld auf die Sensorbrücke 2, so entsteht am Brückenausgang
also eine dem Magnetfeld proportionale Gleichspannung, die der durch die Offsetspannung
der Sensorbrücke 2 bedingten Wechselspannung überlagert ist.
Dieses Signal wird durch den Differenzverstärker 6 verstärkt. Das verstärkte Signal wird dem
ebenfalls im Takt des Stromimpulsgenerators 5 gesteuerten Umschalter oder Modulator 12
zugeleitet. Der zweite Eingang des Umschalters oder Modulators 12 liegt am Ausgang eines
Spannungsteilers mit zwei gleichen Widerständen bei der halben Betriebsspannung 7. Nach
dem Umschalter 12 ist ein Signal vorhanden, das einen der Offsetspannung proportionalen
Gleichanteil und einen zum Magnetfeld proportionalen Wechselanteil enthält. Der
Wechselanteil wird in dem Tiefpaß 9, der eine Zeitkonstante hat, die groß gegen den
Impulsabstand des Stromimpulsgenerators 5 ist, herausgefiltert. Am Ausgang des
Verstärkers 11 ist damit eine zur Offsetspannung der Sensorbrücke proportionale Spannung
vorhanden. Durch den gesteuerten Umschalter oder Modulator 14 wird diese Spannung so
in den Eingang des Differenzverstärkers 6 eingespeist, daß sie der dort vorhandenen
Offsetspannung entgegenwirkt. Durch diese Gegenkopplung wird der Offsetanteil im Signal
minimiert oder gar auf null geregelt, so daß am Ausgang 15 der Schaltung nur noch die zum
auf die Sensorbrücke 2 einwirkenden Magnetfeld proportionale Spannung vorhanden ist. Im
eigentlichen Signalweg der Schaltung zwischen Sensorbrücke 2 und Ausgang 15 befindet
sich als frequenzbegrenzendes Bauelement nur der Differenzverstärker 6. Damit können die
Änderungen der Ausgangsspannung den sie hervorrufenden Magnetfeldänderungen mit
hoher Geschwindigkeit folgen. Die übertragbare Bandbreite wird nicht durch die Frequenz
der Impulse des Stromimpulsgenerators begrenzt, sondern entweder durch die Bandbreite
des Differenzverstärkers 6 oder dadurch, daß für die Ummagnetisierung der
magnetoresistiven Schichtstreifen eine bestimmte Zeitdauer erforderlich ist. Während dieser
Zeitdauer ist die Proportionalität zwischen dem einwirkenden Magnetfeld und der
Ausgangsspannung der Sensorbrücke nicht gegeben. Für diese Zeitdauer wurden durch
Messungen Werte ermittelt, die deutlich unterhalb einer Mikrosekunde liegen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind folgende Parameter besonders vorteilhaft: Für die
Ummagnetisierung werden Impulse abwechselnder Polarität mit einer Länge von 0,5 µs
benutzt. Die Impulsfolgefrequenz wird zwischen 1 kHz und 2 kHz gewobbelt, und zwar mit
einer Wobbelfrequenz von 50 Hz. Der Differenzverstärker 6 hat eine Grenzfrequenz von 1
MHz, die Zeitkonstante des Tiefpasses 9 liegt bei 1 s. Damit können Magnetfelder mit einer
Bandbreite von 1 MHz in proportionale Ausgangsspannungen umgesetzt werden. Durch die
periodische Änderung der Frequenz der Ummagnetisierungsimpulse wird vermieden, daß
eine Übereinstimmung zwischen der Frequenz und der Phase der
Ummagnetisierungsimpulse mit einer möglichen Frequenz und Phase des zu messenden
Magnetfeldes über längere Zeit besteht. Durch die im Vergleich zur
Wobbelschwingungsdauer große Zeitkonstante des Tiefpasses 9 werden so aus dem auf
den Eingang des Differenzverstärkers 6 zurückgekoppelten Signal alle Anteile
herausgemittelt, die vom Magnetfeld verursacht werden. Damit wird hier nur die
Offsetspannung aufgehoben, und das Signal am Schaltungsausgang 15 enthält alle
Frequenzanteile des Magnetfeldes bis zur Grenzfrequenz.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, die in großen Teilen mit der
Anordnung von Fig. 1 übereinstimmt. Gleiche Elemente wurden deshalb mit gleichen
Nummern versehen. Auf dem Sensorchip 1 ist hier neben der Sensorbrücke 2 und der
Ummagnetisierungsspule 3 noch eine Kompensationsspule 4 integriert. Dabei ist zu
bemerken, daß weder die Ummagnetisierungsspule 3 noch die Kompensationsspule 4 die
Form einer konventionellen Spule haben müssen. Vielmehr werden oft Anordnungen von
Dünnschichtleitungen bevorzugt, in deren Nähe bei Stromdurchfluß geeignete Magnetfelder
für die Ummagnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen bzw. zum Aufheben des zu
messenden Magnetfeldgradienten entstehen. Der Magnetfeldgradient oder das Magnetfeld
in diesem Ausführungsbeispiel wird durch einen Strom erzeugt, dessen Wert mit Hilfe des
Verfahrens potentialfrei ermittelt werden soll. Der Flipstromimpulsgenerator 5 liefert
gleichzeitig Stromimpulse für die Ummagnetisierungsspule 3 und für den Umschalter 13, der
die Betriebsspannung der Sensorbrücke 2 umpolt. Fließt in der Nähe der Sensorbrücke 2
der zu messende Strom, so erzeugt er dort einen Magnetfeldgradienten, und am Ausgang
der Sensorbrücke 2 entsteht eine zu diesem Gradienten proportionale Gleichspannung, die
von einem Wechselanteil überlagert ist, der durch den Nulloffset der Sensorbrücke 2 bedingt
ist. Der zum Offset proportionale Wechselanteil wird wie im ersten Ausführungsbeispiel
beschrieben durch die Rückkopplung über den Differenzverstärker 6 minimiert, theoretisch
sogar auf null geregelt. Der Differenzverstärker 6 erzeugt an seinem Ausgang so einen zum
zu messenden Strom proportionalen Ausgangsstrom.
Dieser wird in die Kompensationsspule eingespeist und erzeugt dort ein Magnetfeld, das den
von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfeldgradienten am Ort der Sensorbrücke
gerade aufhebt. Am Ausgang 15 der Schaltung entsteht über dem Widerstand 8 eine zum
Kompensationsstrom und damit zum zu messenden Strom proportionale Spannung. Da die
magnetoresistive Sensorbrücke 2 hier nur als Nulldetektor für die Kompensation wirkt, spielt
die Nichtlinearität, die Temperaturabhängigkeit und die Magnetfeldabhängigkeit der
Sensorkennlinie keine Rolle. Die Bandbreite, mit der die Spannung am Ausgang 15 der
Schaltung den Änderungen des zu messenden Stromes folgen kann, wird durch die
Zeitkonstante des Kompensationsregelkreises bestimmt. Bei Verwendung vorhandener
Differenzverstärker und auf dem Chip integrierter, induktionsarmer Kompensationsspulen 4
in Dünnschichtausführung liegt die Bandbreite im Megahertzbereich, während die Frequenz
des Stromimpulsgenerators wenige Kilohertz beträgt.
1
Chip
2
magnetoresistive Sensorelementanordnung, beispielsweise Sensorbrücke
3
Magnetisierungsspule beziehungsweise Ummagnetisierungsspule
4
Kompensationsleiter oder -spule
5
Stromimpulsgenerator
6
Differenzverstärker
7
Betriebsspannung insbesondere einer Sensorbrücke
8
Shuntwiderstand
9
Tiefpaß
10
Stromleiter
11
Verstärker
12
Umschalter oder Modulator
13
Umschalter oder Modulator
14
Umschalter oder Modulator
15
Ausgang
Claims (17)
1. Verfahren zur Signalauswertung mit Eliminierung beispielsweise eines zum Nulloffset
proportionalen Störsignales insbesondere an magnetoresistiven Sensoren, bei denen
die magnetoresistiven Sensorelemente, die eine Sensorelementanordnung wie
beispielsweise eine Sensorbrücke (2) bilden können, durch Anlegen eines
magnetischen Impulsfeldes wechselnder Richtung moduliert oder umgeschaltet
werden und die Ausgangsspannung der Sensorelementanordnung (2) einem
Differenzverstärker (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation
oder Umschaltung der Betriebsspannung (7) dieser Sensorelemente (2) und die
Modulation oder Umschaltung des magnetischen Impulsfeldes miteinander gekoppelt
sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation oder
Umschaltung der Betriebsspannung (7) der Sensorelemente, die eine
Sensorelementanordnung wie beispielsweise eine Sensorbrücke (2) bilden können,
und die Modulation oder Umschaltung des magnetischen Impulsfeldes synchron
durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale
einer Anordnung von Sensorelementen insbesondere die Ausgangsspannung einer
Sensorbrücke (2) von einem Differenzverstärker (6) verstärkt und über einen im Takt
des magnetischen Impulsfeldes gesteuerten Umschalter (12) auf einen Tiefpaß (9)
und von dessen Ausgang über einen Verstärker (11) und einen zweiten im Takt des
magnetischen Impulsfeldes gesteuerten Umschalter (14) phasenrichtig auf den
Eingang des Differenzverstärkers (6) zurückgekoppelt und so der durch den
Offsetanteil des Ausgangssignals der Sensorelemente insbesondere der
Ausgangsspannung einer Sensorbrücke bedingte Wechselanteil am Ausgang des
Differenzverstärkers (6) minimiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Ausgangssignal
des Differenzverstärkers (6) proportionaler Strom in einen in der Nähe der
Sensorbrücke befindlichen Kompensationsleiter oder eine dementsprechende
Kompensationsspule (4) eingespeist und so das zu messende Magnetfeld des
Eingangssignales am Ort der Sensorelemente minimiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der durch den Kompensationsleiter oder die dementsprechende Kompensationsspule fließende Kompensationsstrom direkt als Ausgangssignal der Schaltung verwendet wird oder daß
- b) der Spannungsabfall, den dieser Kompensationsstrom über einem mit dem Kompensationsleiter oder der dementsprechenden Kompensationsspule (4) in Reihe geschalteten Widerstand (8) erzeugt, als Ausgangssignal der Schaltung benutzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz,
- a) mit der die Magnetisierung der magnetoresistiven Elemente moduliert oder umgeschaltet wird und mit der die Modulatoren oder Umschalter (12, 13, 14) gesteuert werden können und/oder die Frequenz,
- b) mit der die Versorgungsspannung der Sensorelemente moduliert oder umgeschaltet wird und mit welcher der Modulator oder Umschalter (13) gesteuert werden kann, zeitlich periodisch variiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß magnetoresistive
Sensorelemente, die insbesondere eine magnetoresistive Sensorbrücke (2) bilden
können, zur Messung benutzt werden, deren Ausgangssignale beziehungsweise
Ausgangsspannung zum angelegten Magnetfeld proportional ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß magnetoresistive
Sensorelemente, die insbesondere eine magnetoresistive Sensorbrücke (2) bilden
können, zur Messung benutzt werden, deren Ausgangssignale beziehungsweise
Ausgangsspannung zum angelegten Magnetfeldgradienten proportional ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende
Magnetfeld oder der zu messende Magnetfeldgradient nach einer bekannten
Beziehung durch einen Strom erzeugt wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die vorzugsweise mikrosystemtechnischen Bauelemente,
welche die magnetoresistiven Sensorelemente oder Sensorbrücken (2) enthalten,
integriert Vorrichtungen zur Erzeugung und/oder zur Modulation bzw. Umschaltung
des Magnetisierungsfeldes und/oder zur Variation dieser Modulations- oder
Umschaltfrequenzen enthalten.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die vorzugsweise mikrosystemtechnischen Bauelemente,
welche die magnetoresistiven Sensorelemente oder Sensorbrücken (2) enthalten,
integriert Vorrichtungen zur Modulation bzw. Umschaltung der Versorgungsspannung
der Sensorelemente oder der Sensorbrücke und/oder zur Variation dieser
Modulations- oder Umschaltfrequenzen enthalten.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die vorzugsweise mikrosystemtechnischen Bauelemente,
welche die magnetoresistiven Sensorelemente oder Sensorbrücken (2) enthalten,
integriert Vorrichtungen zur Erzeugung und/oder zur Modulation bzw. Umschaltung
des Kompensationsfeldes und/oder zur Variation dieser Modulations- oder
Umschaltfrequenzen enthalten.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung die kennzeichnenden Merkmale mehrerer der Ansprüche 10, 11 und 12
in einem vorzugsweise mikrosystemtechnischen Bauteil in sich vereint.
14. Vorrichtung oder Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Festlegung des Vorzeichens der magnetischen
Empfindlichkeitsrichtung der Sensorelemente oder des Sensorelements, die
insbesondere notwendig ist, wenn dieselben auf der Basis des Anisotropen
Magnetoresistiven Effektes funktionieren,
- a) durch die Aufbringung einer Barberpolstruktur auf den magnetoresistiven Sensorelementen oder
- b) durch die Anordnung eines stromdurchflossenen Leiters in der Nähe von und vorzugsweise parallel zu den magnetoresistiven Sensorelementen oder
- c) durch eine geeignete mäanderähnliche Ausführung der magnetoresistiven Sensorelemente selbst vorgenommen wird.
15. Vorrichtung oder Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen und/oder die Verfahren zur
potentialfreien Strommessung eingesetzt werden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialfreie
Strommessung durch die Messung eines Magnetfeldgradienten oder Magnetfeldes
eines gegebenenfalls geeignet geformten Stromleiters mit Sensorelementen erfolgt,
die auf
- a) einem weitgehend planaren Chip, der sich in der Nähe des Stromleiters befindet, eine Wheatstonebrücke bilden oder
- b) die auf zwei Chips je eine Meßbrücke bilden, wobei die beiden Meßbrücken und die beiden Chips vorzugsweise auf entgegengesetzten Seiten eines geraden Stromleiters und vorzugsweise in gleichem Abstand zu demselben angeordnet sind.
17. Vorrichtung oder Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen und/oder die Verfahren zur Messung
von Magnetfeldern oder Magnetfeldgradienten höherer Frequenz und/oder geringerer
Intensität vorzugsweise mit hoher Genauigkeit und/oder Auflösung eingesetzt wird.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19834153A DE19834153A1 (de) | 1998-07-29 | 1998-07-29 | Verfahren zur Auswertung von Signalen magnetoresistiver Sensoren |
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